Текст книги "Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР (LA-13638)"

Автор книги: В. Фролов

Соавторы: Б. Рязанов,Норман Прувост,Шан Монахан,Томас Маклафлин,В. Свиридов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 18 страниц)

Обзор ядерных аварий с возникновением СЦР
Редакционная версия 2003 г
Отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-13638

Авторы

Соединенные Штаты Америки:

Томас П. Маклафлин, Шан П. Монахан, Норман Л. Прувост

Российская Федерация:

В. В. Фролов *, Б. Г. Рязанов **

В. И. Свиридов ***

^{* Ведущий научный сотрудник, Физико-энергетический институт, Обнинск, Россия 249033}

^{** Начальник отдела ядерной безопасности, Физико-энергетический институт, Обнинск, Россия 249033}

^{*** Начальник лаборатории ядерной безопасности, Физико-энергетический институт, Обнинск, Россия 249033}

Лос-Аламосская национальная лаборатория

Лос-Аламос, Нью-Мексико 87545, США

Предисловие к изданию на русском языке

В отчете описаны случаи аварий с возникновением неконтролируемой самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) на установках атомной промышленности и на исследовательских ядерных установках (критстендах). Первые эксплуатируются в состоянии глубокой подкритичности и не оснащены средствами исключения возможности возникновения СЦР. Вторые, напротив, эксплуатируются в целях изучения критических параметров различных систем и оснащены системами управления и искусственного гашения цепной реакции, а также радиационной защитой. По этим двум классам ядерных установок отчет содержит два раздела с обзором вышеупомянутых аварий, а также третий раздел с описанием кинетики СЦР и механизмов ее гашения.

При описании аварий достаточно полно представлены обстоятельства и причины их возникновения, нейтронно-физические характеристики аварийных систем, радиационные и другие последствия. В отчете обобщены результаты анализа 55 случаев возникновения СЦР. Обзор построен в хронологическом порядке для установок обоих классов, независимо от того, в какой стране произошла авария. Авторы надеются, что результаты работы американских и российских специалистов будут полезны всем работающим в области ядерных установок и технологий, а также для более широкого круга читателей, интересующихся проблемами рисков различных ядерных технологий для человека и окружающей среды.

Впервые в открытой печати обзор ядерных аварий на установках атомной промышленности был опубликован в 1967 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории США в виде отчета 1, автором которого был Вильям Страттон. Второе издание обзора, в котором Дэвид Смит систематизировал аварии по классам и типам установок, вышло в марте 1989 года. Однако в нем, как и в первом издании, не были представлены ядерные аварии с возникновением СЦР, имевшие место в России, начиная с 1953 года.

Третье издание, также на английском языке, вышло в мае 2000 года в виде отчета LA-13638 и представляло собой описание и анализ практически всех аварий с возникновением СЦР в мире. В написании третьего издания обзора принимали участие специалисты из России, от имени которых выражаем глубокую признательность за огромный вклад в организацию и продвижение этой работы американским соавторам: Томасу Маклафлину, Норману Прувосту, Шану Монахану и всем участникам подготовки отчета с американской стороны, без чьей глубокой заинтересованности и самоотдачи этот обзор не мог бы появиться, а также российским специалистам, оказавшим помощь в подготовке отчета.

В. В. Фролов

Б. Г. Рязанов В. И. Свиридов

Предисловие

Начиная с первых лет работы на площадке Пахарито (Лос-Аламос), мы в ходе критических экспериментов в ряде случаев были очень близки к аварийным ситуациям с радиационными последствиями для персонала и окружающей среды. В первом из этих случаев оператор, управлявший критической сборкой, воскликнул: «Катастрофа!» Однако в этом случае и при других подобных «катастрофах» не было серьезных последствий для персонала, который находился на расстоянии в четверть мили от установки. Тем не менее, необходимо было научиться избегать ошибок при проведении критических экспериментов и тем более не повторять их.

Совершенно другая ситуация возникает в случае аварии в технологическом оборудовании с делящимися материалами, как это было в Лос-Аламосе, где безопасность операторов обеспечивалась мерами ядерной безопасности, направленными на предотвращение критичности, а не такими мерами, как толстая защита от излучений или удаление на большое расстояние от источника опасности.

В этом случае анализ и опубликование данных позволили выявить еще не объясненные причины аварийных ситуаций, которые требовали рассмотрения в рамках ядерной безопасности.

Понимание ценности опубликования данных об авариях на обоих указанных типах ядерных установок заставило Вильяма Р. Страттона из группы Пахарито собрать все доступные описания в своей работе "Обзор аварий с возникновением критичности", которая стала стержнем для настоящего издания.

Хью Пакстон

Лос-Аламос, штат Нью-Мексико Август 1999 г.

Введение

Настоящий документ представляет собой третье издание отчета «Обзор аварий с возникновением критичности». Первое появилось в 1967 году в виде отчета Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-3611, автором которого был Вильям Р. Страттон¹. В то время он являлся штатным сотрудником Группы по критическим экспериментам в Лос-Аламосе и членом Консультативного комитета по безопасности реакторов Комиссии по атомной энергии (США). Вторая редакция отчета была опубликована под тем же названием в 1989 году в качестве документа DOE/NCT-042. Эта редакция была выполнена Дэвидом Р. Смитом, который являлся в 60-е и 70-е годы коллегой Вильяма Р. Страттона в Группе по критическим экспериментам и инспектором по критической безопасности Лаборатории. В 1980 году функция обеспечения ядерной безопасности была выведена из сферы деятельности Группы по критическим экспериментам, а в организации в рамках Лаборатории было создано специальное подразделение по охране труда, первым руководителем которого стал Д. Р. Смит.

Когда в начале 90-х годов появились совместные исследовательские проекты и начался обмен информацией между учеными Российской Федерации, представляющими бывший Советский Союз, и учеными Лос-Аламосской национальной лаборатории, началось также обсуждение возможностей для проведения совместных работ в области ядерной безопасности, связанной с критичностью (ниже – просто ядерная безопасность). К 1994 году было налажено взаимодействие по проблемам ядерной безопасности между Лос-Аламосом и четырьмя российскими предприятиями, включающими Физико-энергетический институт (ФЭИ, г. Обнинск), Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ) в г. Сарове (бывший г. Арзамас-16), Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики (ВННИТФ) в г. Снежинске (бывший г. Челябинск-70) и Курчатовский институт (КИ, г. Москва).

Сотрудники ФЭИ, занимающиеся вопросами ядерной безопасности атомной промышленности, осуществляют надзор и за четырьмя основными предприятиями, где были аварии и на которых осуществляется производство и переработка делящихся материалов. К ним относятся ПО "Маяк", Сибирский химический комбинат в Северске (бывший г. Томск-7), ОАО "Машиностроительный завод" (г. Электросталь) и ОАО "Новосибирский завод химических концентратов" (г. Новосибирск). Таким образом, сотрудники служб ядерной безопасности этих четырех предприятий были непосредственно вовлечены в расследование всех 13 российских аварий, которые описаны в данной работе. Три института: ВНИИЭФ, ВНИИТФ и Курчатовский институт, в которых имели место ядерные аварии, проводят эксперименты на критических сборках и имеют опыт разработки ядерных реакторов.

Настоящий отчет, опубликованный на английском и русском языках, является плодом совместных усилий специалистов в области ядерной безопасности из обеих стран. В него не только включено описание всех происшедших в России ядерных аварий, связанных с критичностью, но также пересматриваются описания аварийных ситуаций, имевших место на производственных предприятиях в США и Великобритании, о которых сообщалось во втором издании вышеуказанной публикации. Пересмотр описаний аварийных ситуаций, возникших на предприятиях в США и Великобритании, сводится, в основном, к дополнениям к тексту с включением информации, содержавшейся прежде лишь в документах, на которые в отчете давалась ссылка. В некоторых случаях понадобилось внести коррективы, связанные с техническими вопросами. Расширенные описания даются в интересах более широкого круга читателей, которых данный документ привлекал на протяжении ряда лет.

Наконец, когда данный документ был практически готов к печати в сентябре 1999 года, в Японии на предприятии JCO по переработке ядерного топлива произошла авария с возникновением СЦР. Публикация документа была отложена до тех пор, пока эта последняя аварийная ситуация не будет полностью понята, для того чтобы она могла быть представлена в нем. Цель авторов состояла в том, чтобы данный расширенный обзор способствовал лучшему пониманию причин аварий, связанных с критичностью, и их последствий и, тем самым, повышению безопасности и эффективности работ, проводимых со значительными количествами делящихся материалов.

Благодарности

Многие специалисты внесли значительный вклад в успешное завершение этой редакции «Обзора ядерных аварий с возникновением СЦР». Относительная важность вклада каждого отдельного лица не находится в строгом соответствии с порядком, в котором перечислены их имена. Каждый из них внес свой необходимый вклад в окончательный документ.

За информацию о ядерных авариях в России мы благодарны:

Г. Т. Кириллову – СХК;

М. И. Кувшинову – ВНИИЭФ;

Д. М. Парфановичу – Курчатовский институт;

А. В. Романову – ОАО "Машиностроительный завод";

И. Г. Смирнову – ВНИИЭФ;

Г. С. Стародубцеву – ПО "Маяк";

A. П. Суслову – ПО "Маяк";

B. А. Терехину – ВНИИТФ;

А. Г. Устюгову – НЗХК;

C. В. Воронцову – ВНИИЭФ;

Исао Такешита – JAERI (Исследовательский институт атомной энергии, Япония).

Американские авторы благодарны каждому из вышеперечисленных лиц за ответы на бесчисленные вопросы, в том числе по телефону, на которые специалисты в России отвечали поздней ночью из дома для того, чтобы в разгар рабочего дня могло состояться совещание в Лос-Аламосе. В частности, мы признательны Игорю Смирнову, Сергею Воронцову, Михаилу Кувшинову и Владимиру Терехину за то, что они в течение трех часов выносили "допрос", проходивший однажды ночью в Лос-Аламосе в доме у одного из американских авторов. В другом случае после такого же вечера вопросов и ответов Геннадий Стародубцев согласился вернуться еще раз спустя два вечера для того, чтобы провести еще одну четырехчасовую сессию. Эти вечерние заседания происходили в Лос-Аламосе после целого рабочего дня. Геннадием Стародубцевым двигало личное желание содействовать тому, чтобы семь аварий, имевших место на ПО "Маяк", получили точное и полное освещение.

Барбара Д. Хендерсон сыграла во многих отношениях ключевую административную роль, позволившую успешно продвигать весь проект. Она была поглощена работой над проектом, начиная от того момента, когда он еще представлял собой лишь неясно определенную цель, и до получения конечного продукта, т. е. в течение восьми лет.

Чарльз Т. Ромбо помогал в работе над проектом в течение более двух лет. Он обеспечивал непрерывную передачу информации, текста, рисунков и фотографий, как на английском, так и на русском языках, помимо того, что он готовил электронные файлы со всеми промежуточными черновиками и набросками.

Нелли Шаховская-Шропшир и Ольга Виддо обеспечивали переводческими услугами многочисленные совещания, телефонные переговоры, передачу сообщений по электронной почте, работу с промежуточными черновыми вариантами.

Хью Ч. Пакстон в очередной раз, в своем преклонном возрасте (91 год), дал глубокие и наводящие на размышление комментарии по техническому содержанию документа. Кроме того, он представил свои обстоятельные редакторские замечания.

Реферат

Обсуждаются ядерные аварии с возникновением самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) и характеристики разгона на мгновенных нейтронах на критических сборках. Рассмотрено 60 аварий на различного типа оборудовании и установках. Приводятся детали, позволяющие читателю понять физическую картину, химические процессы во время аварии, а также предоставляется информация об административной обстановке на промежутке времени, предшествующем возникновению аварии, в тех случаях, когда она доступна. Приводится картина изменения мощности во времени, приводятся данные об энерговыделении, последствиях и причинах аварии. Для описания тех аварийных ситуаций, которые возникли на промышленных предприятиях, в настоящую версию были включены два новых раздела. В первом из них содержится анализ и выводы о физических и ядерно-физических свойствах систем, в которых происходила цепная реакция. Во втором обобщаются наблюдения и обсуждаются извлеченные уроки. Обсуждение случаев резкого превышения мощности крупных энергетических реакторов не включено в данный отчет.

Введение

Данная редакция Обзора ядерных аварий с возникновением СЦР 12 существенно расширена по сравнению с предыдущими изданиями: в нее включены описания аварии, произошедшей в Японии, и 19 аварий, произошедших в России. В первых двух частях настоящего отчета описываются 60 ядерных аварий с возникновением СЦР. Они подразделяются на две категории: аварии, которые произошли на промышленных предприятиях (22) и поэтому были неожиданными, и те аварии, которые имели место во время критических экспериментов или операций на исследовательских сборках.

Выделение данных категорий основывается на следующих соображениях. Перерабатывающие предприятия, выполняющие операции с делящимися материалами, используют для предотвращения аварий различные технические средства и административные меры. Такие средства направлены на то, чтобы полностью исключить возможность появления на установке ситуаций, приводящих к возникновению СЦР, или систем, близких к критичности. Среди персонала таких предприятий обычно не бывает специалистов, глубоко знающих физику, связанную с критичностью систем с делящимися материалами. Тем не менее, при нормальных условиях персонал может находиться близко (буквально на расстоянии вытянутой руки) от места потенциально возможной аварии. В противоположность этому, на исследовательских реакторах или экспериментальных критических сборках преднамеренно планируются и достигаются критические или близкие к критичности состояния. Оперативный персонал таких установок обычно состоит из специалистов по физике СЦР. Хотя эти люди непосредственно выполняют операции с делящимися веществами при тех же ограничениях, что и на перерабатывающих предприятиях, заранее планируемые критические или околокритические состояния системы достигаются при наличии биологической защиты и дистанционного управления.

В большинстве случаев описания аварий на российских объектах оказываются более пространными, чем описания событий, которые произошли в других странах. Эта особенность объясняется тем, что отсутствуют общедоступные источники с описанием аварийных ситуаций в России, на которые можно сослаться. Другими словами, описательная информация, содержащаяся в настоящем отчете – это вся информация, которая действительно доступна в отношении данных аварий. Она была тщательно собрана как из оригинальных российских источников, так и из обсуждений, проводившихся с людьми, которые располагают личными знаниями об этих авариях. За исключением добавленных описаний шести аварий, имевших место в России во время критических экспериментов, часть II настоящего отчета практически не претерпела изменений по сравнению со вторым изданием.

Поскольку настоящее издание планировалось выпустить на английском и русском языках, необходимо было принять решения в отношении используемых единиц измерения и терминологии, особенно в английском издании отчета. Мы попытались придерживаться общеупотребительной международной терминологии и системы единиц. Однако с целью соблюдения исторической точности в описаниях местами сохранены те единицы измерения, которые были использованы в оригинальных документах. Так же точно мы старались выбирать понятную терминологию и избегали использовать термины, узко специфичные для данного предприятия или отрасли. Поэтому в тексте применялись термины, наиболее доступные широкому кругу читателей.

В части III по тексту первой версии отчета воспроизводится краткое обсуждение методов анализа и механизмов гашения цепной реакции. Два Приложения также впервые включены в данную редакцию отчета. В помощь читателям в Приложении А воспроизводится Глоссарий терминов по ядерной критичности 3 (LA-11627-MS), дополненный одним определением. В Приложении В приведены схемы технологических аппаратов, в которых возникли аварии, а также приведены в виде таблиц обобщенные параметры систем (масса, объем и т. д.).

Упор в настоящей редакции отчета делался на три момента. Во-первых, это описание одной аварии в Японии и 19 аварий в России. Четырнадцать из них имели место на промышленных предприятиях, а шесть произошли во время критических экспериментов или при управлении исследовательскими сборками. Вторая цель данной работы состояла в том, чтобы тщательно рассмотреть восемь аварий, уже описанных в первой редакции данного документа и приведенных в первой редакции ссылках. Это привело к внесению некоторых технических поправок и к уточнению описания технологических процессов для лучшего понимания широкой аудиторией читателей, которую такой отчет привлекал в течение ряда лет. В-третьих, включены два типа анализа 22 аварийных ситуаций, возникших при производственных процессах. Это (1) анализ физических и нейтронных характеристик с упором на понимание систематических черт процессов и (2) результаты и анализ уроков, извлеченных из этих аварий.

I. Промышленные аварии

Дается описание 22 аварий с возникновением СЦР, произошедших при проведении производственных процессов. Описание каждой из аварий с приложением схем и фотографий, если они имеются в наличии, занимает от одной до нескольких страниц. Эти аварии имеют непосредственное отношение к вопросам ядерной безопасности производственных процессов. Во всех случаях уровень детализации достаточен для понимания конкретных физических условий. Представлены нейтронные, физические, радиологические и медико-биологические последствия аварий. Включено описание причин тех аварий, для которых соответствующая информация сообщалась в первоначальной документации или могла быть получена от тех, кто располагает непосредственными знаниями о ней.

Два новых раздела были добавлены в качестве приложений к части I данной версии отчета. В первом приводятся результаты упрощенного воссоздания физических и ядерно-физических аспектов каждой из аварий. Воссозданные условия сравниваются с известными условиями достижения критичности. В дополнение, приводится обсуждение энерговыделения как в результате первого всплеска мощности, так и за все время существования критичности в сравнении с аналогичными величинами, которые можно оценить на основании данных экспериментов SILENE 4, CRAC 5 и KEWB 6. Раздел дополняется Приложением В, содержащим схемы аппаратов, в которых происходили описываемые 22 аварии, и таблицы, показывающие значения параметров (массу делящегося вещества, объем и т. д.), использованных при упрощенном воссоздании условий аварий.

Во втором из новых разделов представлены результаты и уроки, извлеченные из подробного обзора всех рассмотренных аварий. Этот процесс был неизбежно субъективным, поскольку во многих рассмотренных случаях очевидную роль играли действия оператора, непосредственно связанные с аварийной ситуацией, при этом очень редко сообщалось о том, что думал в это время оператор. Такое обобщение извлеченных уроков может быть полезным при обучении. Оно может также помочь персоналу, предоставляя ему информацию об основных факторах риска, помогая, таким образом, снизить риск и предотвратить возникновение аварийных ситуаций.

Хронология аварий, произошедших на промышленных предприятиях, приведена на рисунке 1.

^{Рисунок 1. Хронология промышленных ядерных аварий.}

Ниже перечислены существенные особенности этих 22 аварий.

• 21 авария произошла с делящимися веществами в виде растворов или суспензий.

• Одна авария произошла с изделиями в виде металлических слитков.

• Ни одной аварии не произошло с порошками.

• 18 аварий имели место при ручных операциях в отсутствие биологической защиты.

• Имели место 9 смертельных исходов.

• У троих выживших после аварий были ампутированы конечности.

• Не было ни одной аварии при транспортировке.

• Не было ни одной аварии при хранении материалов.

• Не было повреждений оборудования.

• В результате только одной из аварий имело место поддающееся измерению загрязнение продуктами деления (слегка превышающее естественные уровни) за пределами производственных площадок.

• В результате только одной из аварий произошло не особенно большое (значительно ниже допустимой нормы годового облучения персонала) облучение людей, не работающих на предприятии.